DE3405078A1

DE3405078A1 - Korrosionsbestaendiger, nicht-rostender gussstahl zur verwendung bei niedrigen temperaturen

Info

Publication number: DE3405078A1
Application number: DE19843405078
Authority: DE
Inventors: Masao Zushi Kanagawa Izumiyama; Naohiko Kagawa; Toshikazu Yokosuka Kanagawa Nakamura; Kenji Yokohama Kanagawa Satoh; Katsumi Yamamoto
Original assignee: JGC Corp
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 1983-02-15
Filing date: 1984-02-13
Publication date: 1984-08-23
Also published as: GB2138024B; IT1179968B; FR2540888A1; SE8400790D0; SE8400790L; FR2540888B1; GB8403744D0; DE3405078C2; NL8400461A; IT8467132A0; JPS59150067A; GB2138024A

Description

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Dr phn G Henkel München Dipl -Ing J Pfenning. Βθ^Γ'·η Dr rer na: L Feiler. München Dip! -Ing W Ha-rei München Dipl -Phys K H Meinig. Berlin Dr Ing A Butenscnon. Berlin

Mohlstraße 37 D-8000 München 80

Tel. 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme eüipsoid

JGC CORPORATION Tokyo , Japan

OP-1244-4

Korrosionsbeständiger, nicht-rostender
Gußstahl zur Verwendung bei niedrigen
Temperaturen

-Y-

Die Erfindung betrifft einen nicht-rostenden Gußstahl

*
für Gießlinge, z.B. in LNG-Anlagen dauerhaft bei sehr tiefen Temperaturen verwendbare Ventile, Pumpen, Kompressoren u.dgl., der darüber hinaus auch noch gegen eine durch Meerwasser u.dgl. hervorgerufene Lochfraß-Korrosion beständig ist.

Die in LNG-Anlagen verwendeten Gußteile aus nichtrostendem Stahl, die Temperaturen von Raumtemperatur bis O K, beispielsweise einer Temperatur von etwa -160 C, ausgesetzt sind, müssen bei sehr tiefen Temperaturen beständige Eigenschaften aufweisen. Bisher wurde als rostfreier Gußstahl bei sehr niedrigen Temperaturen vornehmlich die Stahlsorte JIS SCS 13 (18 Cr - 8 Ni) verwendet, dieses Material ist jedoch lebensgefährlich, da sich - wenn es einer sehr tiefen Temperatur ausgesetzt wird - innerhalb kurzer Zeit infolge martensitischer Umwandlung sein Volumen ändert. Dies führt zu einer Änderung der Gestalt der Produkte und zu der Gefahr, daß ein Fluidumaustritt erfolgt. Deswegen erfolgten als Gegenmaßnahmen mehrmals während der Verarbeitung ein Tiefkühlen (30- bis 90-minütiges Tauchen bei -196°C) oder eine sonstige Behandlung. Diese Maßnahmen vermochten jedoch das anstehende Problem keinesfalls zu lösen.

Zur Lösung der üblichem; nicht-rostendem Stahl eigenen

StickstoffVerflüssigungsanlagen

Probleme wurde bereits ein bei tiefen Temperaturen unterhalb Raumtemperatur verwendbarer nicht-rostender Gußstahl aus 0,03 - 0,15 Gew.-* C, höchstens 2,00 Gew.-% Si, höchstens 2,00 Gew.-% Mn, 18,0 - 26,0 Gew.-% Cr, 5,00 - 13,0 Gew.-% Ni und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, der 10,0 - 40,0 Vol.-% δ-Ferrit enthält, entwickelt (vgl. JP-PS 1 061 134). Dieser nicht-rostende Gußstahl läßt sich zwar in geeigneter Weise in LNG-Anlagen einsetzen, da er bei sehr tiefen Temperaturen stabil ist, er läßt jedoch hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Witterungsbeständigkeit und Lochfraß-Korrosionsbeständigkeit, erheblich zu wünschen übrig.

Da LNG-Verflüssigungs- und -Lagerungsanlagen in der Regel nahe der Küste gebaut werden und hierzu umfangreiche Baumaßnahmen erforderlich sind, dauert der Bau solcher Anlagen eine gewisse Zeit, z.B. 2 Jahre oder mehr. Hierbei kommt es ohne weiteres vor, daß Gußteile aus nicht-rostendem Stahl, z.B. Ventile, Pumpen, Kompressoren u.dgl., lange Zeit auf der Baustelle herumliegen und zu rosten beginnen und eine Lochfraß-Korrosion und Spannungskorrosionsrisse erfahren. Da diese Stahlgußteile kompliziert gebaut sind, bereitet es Schwierigkeiten, sie gegen Korrosion zu schützen. Folglich sollten also zur Herstellung der rostfreien Stahlgießlinge Materialien verwendet werden, die von Hause aus korrosionsbeständig, insbesondere witterungsbeständig und gegen Lochfraß-Korrosion beständig sind.

Es gibt ferner bereits einen korrosionsbeständigen, rostfreien Stahl SUS 316 (18 Cr - 10 Ni - 2 Mo). Dieser Gußstahl besitzt zwar eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit, insbesondere Beständigkeit gegen Lochfraß-Korrosion, er zeigt jedoch bei sehr tiefen Temperaturen

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eine schlechte Stabilität. Der bekannte korrosionsfeste, nicht-rostende Gußstahl SUS 329 JI (25 Cr 5 Ni - 1 Mo) besitzt infolge Auskristallisieren von etwa 60 % seiner Ferritphase eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit einschließlich Beständigkeit gegen Lochfraß-Korrosion. Dieser Gußstahl besitzt jedoch eine zu große Ferritphase und ist schwierig zu gießen. Keiner der erwähnten Gußstähle eignet sich somit zur Herstellung von Gußteilen zur Verwendung in LNG-Anlagen und dergleichen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen nichtrostenden Gußstahl zu entwickeln, der sich durch eine hohe Stabilität bei sehr niedrigen Temperaturen, wie sie für Gußteile aus nicht-rostendem Stahl, z.B.

Ventile, Pumpen, Kompressoren u.dgl. für beispielsweise LNG-Anlagen erforderlich ist, sowie durch eine ausgezeichnete und langdauernde Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Beständigkeit gegen Lochfraß-Korrosion (selbst bei längerer Lagerung bzw. längerem Aufenthalt nahe der Küste) auszeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein korrosionsbeständiger, nicht-rostender Gußstahl zur Verwendung bei sehr niedrigen Temperaturen aus höchstens 0,08 Gew.-% C, höchstens 2,0 Gew.-% Si, höchstens 2,0 Gew.-% Mn, 18,0 - 26,0 Gew.-% Cr, 5,0 - 16,0 Gew.-% Ni, 0,5 - 5,0, vorzugsweise 1,5 - 4,0 Gew.-% Mo und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, der 10 - 40, vorzugsweise 15-40 Vol.-% δ-Ferrit enthält.

Erfindungsgemäß wird ein nicht-rostender Gußstahl bereitgestellt, der auch ohne Tiefkühlen bei sehr tiefen Temperaturen stabil ist und eine hervorragende Korrogg sionsfestigkeit, insbesondere Beständigkeit gegen Loch-

Λ-

fraß-Korrosion, zeigt. Somit können Bauteile aus diesem Gußstahl selbst über längere Zeit hinweg nahe der Küste beim Bau von LNG-Anlagen u.dgl. gelagert werden, ohne daß eine Lochfraß-Korrosion auftritt. Diese läßt sich auch während der Bauarbeiten verhindern, so daß eine größere Sicherheit erreicht wird. Diese Sicherheit ist dann auch beim Betrieb der Bauteile bei sehr tiefen Temperaturen gewährleistet. Folglich kann also ein nicht-rostender Gußstahl gemäß der Erfindung in höchst zweckmäßiger Weise zu Gußteilen, wie Ventilen, Pumpen, Kompressoren, Behältern, Rohrleitungen u.dgl. für LNG-Anlagen verarbeitet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Schaeffler-Diagramm, aus dem sich die erfindungsgemäße Beziehung der Ferritmenge ergibt, und

Fig. 2 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Mo-Gehalt und dem Ausmaß der aufgetretenen Lochfraß-Korrosion.

Die Erfindung besteht darin , dem Gußstahl die Elemente C, Si, Mn, Cr, Ni und Mo in den angegebenen Mengen zuzulegieren und gleichzeitig in der Gußstruktur 10 - 40, vorzugsweise 15-40 Vol.-% ö-Ferritphase zu kristallisieren.

' Im folgenden werden die Gründe für die Anwesenheit der Legierungselemente und deren Mengen näher erläutert.

1. C: Kohlenstoff beeinflußt die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Seine Menge sollte 0,08

Gew.-% nicht übersteigen, da sonst die Korrosionsbeständigkeit sinkt.

2. Si: Silizium wird als Ferritbildner und Desoxida-

tionselement benötigt. Ein Si-Gehalt über 2,0 Gew.-% ist unerwünscht, da er die Versprödung fördert und die Schweißbarkeit verschlechtert.

3. Mn: Mangan dient wie Ni als ferritbildendes Element. Sein Gehalt darf jedoch 2,0 Gew.-% nicht überschreiten, da sonst die Oxidationsbeständigkeit, die Bildsamkeit und die Gießfähigkeit beeinträchtigt werden.

4. Cr: Chrom stellt ein ferritbildendes Element dar. Da jedoch die eine hohe Menge Cr enthaltende 5-Ferritphase bei langdauerndem Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 400°C oder mehr beim Schweissen oder bei der Wärmebehandlung spröde wird und bei 475°C eine Sigma-Phasenversprödung erfolgt, sollte der Cr-Gehalt auf höchstens 26,0 Gew.-% begrenzt werden. Andererseits ist auch ein Cr-Gehalt unter 18,0 Gew.-% unerwünscht, da sich während des Abkühlens im Verlauf des Gießens eine Martensitphase bildet. Folglich muß also der Cr-Gehalt im Bereich von 18,0 - 26,0 % liegen.

5. Ni: Der Nickelanteil besitzt eine deutliche Beziehung zur Menge an δ-Ferrit. Wenn die Ni-Menge zu groß ist, wird die Ferritmenge zu gering und unwirtschaftlich. Wenn dagegen die Ni-Menge zu gering ist, kommt es andererseits zu einer γ-α'-Umwandlung. Folglich sollte also die Ni-Menge im Bereich von 5,0 - 16,0 Gew.-% liegen.

3g 6. Mo:-Molybdän beeinflußt die Korrosionsbeständigkeit,

-Jfs-

insbesondere die Beständigkeit gegen Lochfraß-Korrosion. Wenn der Mo-Gehalt 0,5 Gew.-% beträgt, läßt sich seine Wirkung an dem Gußteil aus rostfreiem Stahl beobachten. Wenn der Mo-Gehalt über 5 Gew.-% liegt, benötigt man in höchst unwirtschaftlicher Weise eine große Menge Ni, um die Baustabilität zu gewährleisten. Vorzugsweise beträgt der Mo-Gehalt 1,5 - 4,0 Gew.-%.

Innerhalb der angegebenen Bereichsgrenzen werden die einzelnen Elemente in solcher Menge gewählt, daß die Menge an 6-Ferrit in dem Gießgefüge im Bereich von 10 - 40 Vol.-% liegt. Im Falle, daß die 6-Ferritmenge unter 10 Vol.-% liegt, kann der Gießling zahlreiche Gießfehler, z.B. Gußblasen, Schwund u.dgl., aufweisen. Darüber hinaus reißt der Gießling in seinem Inneren. Wenn andererseits die 6-Ferritmenge über 40 Vol.-% liegt, kommt es ebenfalls zu Gießfehlern und zur Rißbildung im Inneren der Gießlinge. Vorzugsweise sollte die Menge an 6-Ferrit im Bereich von 15-40 Vol.-% liegen.

Durch Kristallisieren von 10-40 Vol.-% Ferritphase im Gießgefüge nimmt die Ni-Menge im Austenit das 1,2-bis 1,3-fache der durchschnittlichen Ni-Menge in der Legierung an. Wenn beispielsweise die durchschnittliche Ni-Menge in der Legierung 8,0 Gew.-% beträgt, beträgt die Nickelkonzentration in der Austenitphase 10,0 Gew.-%. Durch Zugabe einer geringen Menge Ni kann man folglich eine γ-α¹-Umwandlung unterdrücken. Auf diese Weise läßt sich einerseits eine Verformung verhindern, zusätzlich erreicht man eine erhebliche Verbesserung der Gießbarkeit. Durch Kristallisieren von 10 - 40 Vol.-% Ferritphase werden austenitische Kristallteilchen pulverisiert und weiterhin eine γ-α¹-

Umwandlung unterdrückt. Selbst wenn eine große Menge Ferrit kristallisiert wird, kommt es zu keiner Tieftemperaturversprödung, da das Ni im Zustand einer festen Lösung vorliegt.
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Für den Fachmann bereitet es keinerlei Schwierigkeiten, die Menge an δ-Ferrit auf einen Wert innerhalb des angegebenen Bereichs einzustellen, indem er unter Berücksichtigung des Schaeffler-Diagramms die genannten EIemente in geeigneter Weise innerhalb ihrer Bereichsgrenzen miteinander kombiniert. In anderen Worten gesagt, ergibt sich die Beziehung zwischen der prozentualen Legierungszusammensetzung und der aus einer tatsächlichen Analyse der nicht-rostenden Gußlegierung und verschiedenen Versuchen ermittelten Ferritmenge aus Fig. 1 (der schraffierte Teil der Zeichnung kennzeichnet die Erfindung). Aus der Zusammensetzung der verschiedenen Legierungselemente lassen sich unter Bezugnahme auf das in Fig. 1 dargestellte Schaeffler-Diagramm die Cr- und Ni-Äquivalente errechnen und die Ferritmenge nach dem Gießen bestimmen. Die Cr- und Ni-Äquivalente ergeben sich aus folgenden Gleichungen:

Cr-A" quiva lent = Cr +1,5 Si = 18-29 Ni-Äquivalent = Ni + 30 C + 0,5 Mn = 5,0 - 19,4.

Dies bedeutet, daß man eine gegebene Ferritmenge erhält, indem man die Legierungselemente derart miteinander vereinigt, daß die Ferritmenge beim Auflösen entsprechend Fig. 1 vorher 10,0 - 40,0 Vol.-% erreicht. Wenn beispielsweise in Fig. 1 ein Punkt A (25 Vol.-% Ferrit) als Zielpunkt dient, ergibt sich die Zusammensetzung der Zielpunktlegierung aus den entsprechenden Äquivalenten (Cr-Äquivalent = 22,8; Ni-Äquivalent = 10,0) wie folgt:

	—ti— *< no-*	0,07	-- ' --_ -	3A05078
	=	1 ,00
	=	1 ,00
C	=	7,50	Gew.-%
Si		21 ,30	Gew.-%
Mn		Gew.-%
Ni		Gew.-%
Cr		Gew.-%.

Zweckmäßigerweise sollte zur Stabilisierung der Ferritphase die erhaltene Legierung nach dem Gießen einer Mischkristallbehandlung unterworfen werden.

Erfindungsgemäß läßt sich die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere die Beständigkeit gegen Lochfraß-Korrosion, durch Einstellen des Mo-Gehalts auf 0,5 - 5,0, vorzugsweise 1,5 - 4,0 Gew.-% verbessern. Der Einfluß des Mo-Gehalts auf das Auftreten einer Lochfraß-Korrosion wurde mittels des Salzsprühtests entsprechend der japanischen Industriestandard-Vorschrift JIS H 8617 CASS an dem System 21 Cr- 9 Ni - Mo untersucht. Es wurde unter folgenden Testbedingungen gearbeitet:

Lösung: 5 % NaCl

0,26 g CuCl₂'2H₂O/l

pH-Wert: 3,1 - 3,2 (ausgedrückt als CH₃COOH).

Temperatur: 50 C.
25

Dauer: 48 h.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 2 graphisch dargestellt. Aus Fig. 2 geht hervor, daß im Falle der An-Wesenheit von 0,5 - 5,0 Gew.-% Mo im Vergleich zu einer Mo-freien Legierung das Ausmaß der Lochfraß-Korrosion drastisch vermindert ist.

- Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

»Korrosionsbeständiger, nicht-rostender Gußstahl zur Verwendung bei sehr niedrigen Temperaturen, bestehend aus höchstens 0,08 Gew.-% C, höchstens 2,0 Gew.-% Si, höchstens 2,0 Gew.-% Mn, 18,0 - 26,0 Gew.-% Cr, 5,0 - 16,0 Gew.-% Ni, 0,5 - 5,0 Gew.-% Mo und zum Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen, mit einem Gehalt von 10-40 Vol.-% 6-Ferrit.
2. Korrosionsbeständiger, nicht-rostender Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an δ-Ferrit 15-40 Vol.-% beträgt.
3. Korrosionsbeständiger, nicht-rostender Gußstahl nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mo-Gehalt 1,5 - 4,0 Gew.-% beträgt.